JPH09283658A

JPH09283658A - 樹脂封止型高耐圧半導体装置並びにその製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JPH09283658A
Application number: JP8790596A
Authority: JP
Inventors: Tadao Kushima; 忠雄九嶋; Hideo Shimizu; 英雄清水; Yasutoshi Kurihara; 保敏栗原; Akira Tanaka; 明田中; Ryuichi Saito; 隆一斉藤; Kazuhiro Suzuki; 和弘鈴木; Yoshihiko Koike; 義彦小池; Kazuji Yamada; 一二山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁基板の浮きパターン部に、端子接合に用い
た半田ペーストのフラックスが浸入せず、従ってフラッ
クス残渣がなく、ゲル状樹脂の硬化阻害の発生がない構
造とすることを主目的としており、端子の新半田接合方
法及び絶縁基板の浮きパターン部が充填したゲル状樹脂
にクラックを誘発させない構造並びに半田ペーストを使
わない半田付け方法により、高信頼性が確保でき、安価
な樹脂封止型高耐圧半導体装置とその製造方法を提供す
ることを目的とする。【解決手段】本発明は、樹脂封止型高耐圧半導体装置
で、樹脂ブロック８に固定された複数の内部導電リード
端子７，絶縁基板（例えばＡｌＮ絶縁基板）２Ａ，浮き
パターン部４Ａ，ベース基板（例えばＭｏ金属ベース）
１，ベース接合半田（例えばＳｎ，Ｐｂの２元系半田）
６，端子接合半田９Ｃ，ゲル状樹脂１２Ａ，半田ペース
ト９Ｂ，外部ケース１１からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数本の内部導電
リード端子を有する樹脂封止型高耐圧半導体装置におけ
る内部導電リード端子の半田接合構造及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の装置は、特開平4−321259 号公報
に記載のように、半導体装置において、内部導電リード
形状が導電容量を維持する関係から同寸法幅，厚さと
し、絶縁耐圧を確保するため周囲をゲル状樹脂（例えば
シリコーン樹脂）で充填して硬化させた構成となってい
た。この場合、絶縁基板上の内部導電リード形状部は、
外部ケース樹脂との熱膨張係数差、すなわち熱的な膨張
・収縮による絶縁基板への引張りや圧縮応力を緩和する
ため、導電リード中間部に横Ｕ字型ベンド構造が設けら
れていた。しかし、半導体装置の通電容量が増すにつれ
て導電リード形状の厚さも大きくなるため、絶縁基板へ
の引張りや圧縮応力の緩和が難しく、絶縁基板を破壊さ
せ引いては半導体装置の破壊までに至らしめてしまう懸
念がある。そこで、絶縁基板への引張りや圧縮応力を緩
和する対策として、内部導電リードが接合される絶縁基
板のＣｕパターン部を、部分的に浮かし構造とした構成
のものが本発明と同じ出願人より特願平6−326633 号と
して提案されている。この場合、一般の半導体装置にお
ける絶縁基板と導電リードの半田接合の場合と同様に、
金属ベース（例えばＭｏベース）１上にベース接合半田
６で接合された絶縁基板（例えばＡｌＮ基板）２Ａ上の
Ｃｕパターン３の浮きパターン部４Ａに半田ペースト材
９Ｂを滴下（図３）し、上部より予め迎え半田９Ａした
導電リード７を搭載して加熱溶融させる。この時、半田
ペースト９Ｂのフラックス１０Ａが端子接合半田９Ｃや
浮きパターン部４Ａから流れ落ちて、浮きパターン部直
下の空間部（２０〜３０μｍ）５へ浸入する（図４）。
この空間５に浸入したフラックス１０Ａは、有機溶剤系
洗浄剤による洗浄では除去できない（図５）。このた
め、モジュール組立て工程で、ゲル状樹脂１２を注入し
て硬化させた場合、浮きパターン部直下の空間部５より
浸入したフラックス１０Ａが滲みでてゲル状樹脂１２の
硬化阻害などの樹脂欠陥部（図６）を発生させてしまう
等の問題がある。

【０００３】特開平5−21641号公報記載のように、内部
導電リード端子接合部直下の絶縁基板パターンをトンネ
ル形状に浮かした構造とするなど端子接合部の応力緩和
方法としての工夫がなされていた。この場合も、絶縁基
板と導電リードの半田接合では、一般同様に半田ペース
ト材が用いられ、モジュール組立てが実施されていると
判断されるため、前述同様の問題が懸念される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、絶
縁基板への引張りや圧縮応力を緩和する対策として、内
部導電リードが接合される絶縁基板のＣｕパターン部
を、部分的に浮かし構造とした構成のものやトンネル形
状に浮かした構造である。これらの構造では、一般の半
導体装置における絶縁基板と導電リードの半田接合の場
合と同様に、信頼性に必要な半田フィレット形状を得る
ため、半田ペースト材を十分に滴下して加熱溶融させ、
有機溶剤系洗浄剤で洗浄をしてからモジュール組立てが
実施されている。しかし、前記の浮き構造では、その間
隙が数十μｍと極端に狭く、加熱溶融時に一端浸入した
フラックスは有機溶剤系洗浄液では除去しきれない。ト
ンネル構造においても同様のことが懸念される。超音波
洗浄方式での洗浄は、半導体素子上のＡｌワイヤ接続信
頼性に悪影響するため不可である。このような状況にお
いて、絶縁耐圧を確保するため周囲をゲル状樹脂で覆っ
た場合、ゲル状樹脂の硬化過程において、間隙中のフラ
ックスが浮きパターン内部より滲み出て、ゲル状樹脂と
の硬化阻害を引起こし、引いては絶縁耐圧劣化となりモ
ジュール破壊に至ってしまう問題がある。これらの問題
を解決するためには、極端に狭い間隙にフラックスが浸
入しない半田接合方法が必要である。また、浮きパター
ン部直下に浸入したフラックスが、内部より滲み出ない
場合では、内部導電リード形状部は外部ケース樹脂との
熱膨張係数差で上下に変形する。このため、充填したゲ
ル状樹脂にクラックを誘発させて絶縁耐圧劣化となりモ
ジュール破壊に至ってしまう問題があり、充填したゲル
状樹脂に応力を付加させない工夫が必要である。

【０００５】本発明の目的は、複数の内部導電リードを
有した樹脂封止型高耐圧半導体装置において、外部樹脂
ケース材と内部導電リード端子並びに絶縁基板間の熱膨
張係数の異なりからくる応力集中での絶縁基板割れを防
止するために考慮した絶縁基板の浮きパターンやトンネ
ル構造に関するものである。端子接合に用いた半田ペー
ストのフラックスが浸入せず、従ってフラックス残渣が
なく、ゲル状樹脂の硬化阻害の発生がない構造とするこ
とを主目的としており、端子の新半田接合方法及び絶縁
基板の浮きパターン部が充填したゲル状樹脂にクラック
を誘発させない構造並びに半田ペーストを使わない半田
付け方法により、高信頼性が確保でき、安価な半導体装
置とその製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、樹脂封止型高耐圧半導体装置の複数の内部導電リー
ド端子を、絶縁基板の浮きパターン部に接合する場合、
予め、絶縁基板の浮きパターン部に半田シートを予備半
田しておき、前記リード端子を接合するときに必要最小
量の半田ペーストを適下して半田接合する方法とした。

【０００７】また、樹脂封止型高耐圧半導体装置で予め
樹脂モールドされた内部導電リード端子を、絶縁基板の
浮きパターン部に半田接合する場合、半田ペーストを用
いず、活性あるいは活性混合ガス中で半田接合する方法
とした。

【０００８】また、前記絶縁基板上の浮きパターン部
を、予め、半田接合時に浸入した半田ペーストのフラッ
クスが、有機溶剤系洗浄剤で除去できる間隙を有する構
造とした。また、前記導電リードを半田接合した絶縁基
板上の浮きパターン部の周辺部を絶縁樹脂剤で覆う構造
とした。

【０００９】また、前記導電リード端子材を、Ｃｕ，Ａ
ｇあるいはＣｕ合金，Ａｇ合金のいずれかとし、導電リ
ード端子の表面のうち、全部または一部にＡｕ，Ｓｎ，
Ｎｉのいずれかの組成のメタライズ層が形成されている
ようにしたものである。

【００１０】また、前記の接合半田材が、Ｐｂ，Ｓｎの
２元系あるいはＡｇ，Ｂｉ，Ａｕ，Ｉｎ等が添加された
３元系とした。

【００１１】さらに、前記導電リード端子の半田接合
で、絶縁基板の浮きパターン部直下にフラックスが浸入
しない半田接合構造を有する樹脂封止型高耐圧半導体装
置を容易に製造できる方法を得るため、予備半田工程か
ら半田ペースト滴下，半田接合工程及び浮き端子部の樹
脂コート工程などを経るようにしたものである。

【００１２】また、半田ペーストを使用しない樹脂封止
型高耐圧半導体装置を容易に製造できる方法を得るた
め、前記導電リード端子をモールドした端子ブロック部
を冷却できる構造を具備した半導体装置の製造装置とし
た。

【００１３】本発明では、樹脂封止型高耐圧半導体装置
の複数の内部導電リード端子を、絶縁基板の浮きパター
ン部に接合する場合、予め、絶縁基板の浮きパターン部
に半田シートを予備半田しておき、前記リード端子を接
合するときに必要最小量の半田ペーストを適下して半田
接合する方法での構造とした。この構造では、一般の半
導体装置における導電リード端子の半田接合の場合と異
なり、信頼性に必要な半田フィレット形状を得るための
半田量は、その大半を予備半田の半田容量にもたせるこ
とにした。この方法により、該リード端子の接合では半
田ペーストを必要最小量にすることができる。従って、
半田ペースト含有のフラックス量もおのずと必要最小量
におさえることができ、リード端子接合におけるフラッ
クスが浮きパターン直下への流れ込まないものである。

【００１４】また、端子ブロック部にモールドされた前
記導電リード端子部に、予め迎え半田を施し、絶縁基板
の浮きパターン部に半田シートを予備半田しておくこと
により、活性あるいは活性混合ガス雰囲気中でそれぞれ
を接合することができ、フラックスを使用しないで半導
体装置を製造することができる。この場合、それぞれの
半田の加熱溶融は下部方向からの加熱により、上部の端
子ブロック部を冷却する構造の加熱炉を用いることで目
的が達成できる。

【００１５】また、予め、前記絶縁基板の浮きパターン
部の間隙を大きく確保、すなわち該絶縁基板と導電パタ
ーンの接続材を厚くした構造とし、浮きパターン直下に
浸入したフラックス残渣の洗浄が十分にできる形状とす
ることで目的が達成できるものである。

【００１６】また、樹脂封止型高耐圧半導体装置の導電
リード材を、Ｃｕ及びＡｇあるいはこれらの合金のいず
れかで形成することのより、導電性が良くかつリード端
子を加工する上で容易で半田付け性も良好である。ま
た、導電リード端子の表面のうち、全面あるいは部分的
にＡｕ，Ｓｎ，Ｎｉのいずれかの金属めっきを施すこと
により、導電リード端子の表面の耐食性が良く、半田の
ぬれ性も良くできる。さらに、前記導電リード端子と絶
縁基板の浮きパターン部とを接合する半田材として、半
田ぬれ性が良くかつ半田接合部の高信頼性が得られるＰ
ｂ，Ｓｎ２元系或いはＡｇ，Ｂｉ，Ａｕ，Ｉｎなどを添
加した３元系からなることが有効である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１〜
図１２により説明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施例の樹脂封止型高
耐圧半導体装置の断面構造図で、図２は図１の内部導電
リード端子の半田接合部の平面図である。

【００１９】図１は、本発明により樹脂封止型高耐圧半
導体装置の樹脂ブロック８に固定された複数の内部導電
リード端子７を、絶縁基板（例えばＡｌＮ絶縁基板）２
Ａの浮きパターン部４Ａに接合し半導体装置として組立
てた断面構造である。金属ベース基板（例えばＭｏ金属
ベース）１上に、Ｃｕパターン３の浮きパターン部４Ａ
を形成させた絶縁基板２Ａをベース接合半田（例えばＳ
ｎ，Ｐｂの２元系半田）６で接合し、さらに樹脂ブロッ
ク８に固定された複数の内部導電リード端子７を端子接
合半田９Ｃで半田付けし、ゲル状樹脂を注入硬化してモ
ジュール化したものである。該浮きパターン部直下には
端子接合時のフラックス残渣がない状態である。

【００２０】図２は図１の内部導電リード端子の半田接
合部の平面状態を示す図である。前記Ｃｕパターン３
で、部分的に形成された浮きパターン部４Ａに接合され
た前記導電リード端子７の半田接合部は、端子接合半田
９Ｃのぬれ拡がり状態が角形半田形状となる部分９Ｄが
浮きパターン面領域で形成される。その周辺に半田接合
時のフラックスの洗浄痕が浮きパターン面領域内に見ら
れる。フラックスそのものの残渣はない。この結果は、
図１で述べた断面構造での状態と同様結果である。以下
に、浮きパターン部直下に端子接合時のフラックス残渣
がない半田接合構造を得る方法を、図７から図９を用い
その詳細を説明する。

【００２１】図７は、予備半田完了状態を示す断面図
で、図８は半田ペーストを滴下しリード端子を接合する
断面状態図、図９は端子接合完了の状態を示す断面図あ
る。

【００２２】前記ベース基板（例えばＭｏ金属ベースに
Ｎｉめっきしたもの）１上に、厚さ０.３mmのＣｕパタ
ーン(４〜７μｍＮｉめっきしたもの）３の浮きパター
ン部（絶縁基板との間隙０.０２〜０.０３mm)４Ａを形
成させた厚さ０.６mm絶縁基板（例えばＡｌＮ基板)２Ａ
を、ベース接合半田(例えばＳｎ６０ｗｔ％，Ｐｂ４０
ｗｔ％２元系半田）６で接合する。該絶縁基板２Ａの部
分的に形成された浮きパターン部４Ａ上に、予備半田
（例えばＳｎ６０ｗｔ％，Ｐｂ４０ｗｔ％２元系からな
り、端子接続に必要な半田ペースト体積の６０％以上の
半田シート）１３をカーボン治具などを用いてセットす
る。そして、加熱雰囲気炉中（例えばＨ₂又はＨ₂＋Ｎ
₂混合ガス）で、温度約２４０℃に加熱し溶融させて予
備半田１３を形成させる。この場合、加熱溶融された予
備半田１３は、浮きパターン４ＡのＮｉめっき上では予
備半田形状以上にぬれ拡がらなく、予備半田の形状が残
る。ついで、図８に示すように、該予備半田１３上に、
半田ペースト（例えばＳｎ６３ｗｔ％，Ｐｂ３７ｗｔ％
２元系）９Ｂをデイスペンサー等の装置により滴下供給
する。この場合、滴下供給する半田ペースト９Ｂ量は、
端子接続に必要な半田ペースト体積の４０％以下で、端
子接続に必要な最小量のペーストとした。一方、内部導
電リード端子７で接合される部分には予め、フラックス
を用いて半田浴槽中に浸漬する方法で端子迎え半田９Ａ
を形成させる。そして、双方を治具などで位置合わせさ
せ、不活性ガス例えばＮ₂ガス中で温度約２４０℃に加
熱し溶融させて接合を完了させる。この端子接合におい
ては、予備半田と迎え半田とが半田ペーストにより良好
に接合されるものである。また、前述したように、半田
ペースト量が少ないことにより、溶融半田及び浮きパタ
ーン面領域から半田ペーストのフラックスが浮きパター
ン直下へ流れ落ちることはない。このため、使用した半
田ぺーストのフラックス洗浄では浮きパターン上面を重
点に実施すればよい。この場合の洗浄液は有機溶剤系洗
浄剤、例えばソルファインＴＭが有効で、図２で述べた
ように浮きパターン上面に、洗浄痕が残るだけである。
この半田接合方法により、図９に示すように、該絶縁基
板２Ａの部分的に形成された浮きパターン４Ａ直下の空
間部５に、フラックスの残渣がなく、しかも端子半田接
合が高信頼性を示す半田フイレット形状が形成できるこ
とを確認した。

【００２３】図１０は、該絶縁基板上に部分的に形成し
た浮きパターン部の変形を示す断面構造図である。該絶
縁基板２Ａの部分的に形成された浮きパターンに、導電
リード端子を半田接合した後、外部樹脂ケース材との熱
膨張係数差により該内部導電リード端子７へ、高さ方向
に外力がかかる。このため、浮きパターン部では高さ方
向で上下に変形させられる。モジュールでは絶縁耐圧を
得るため、ゲル状樹脂を注入硬化させるが、前述した浮
き端子の変形でゲル状樹脂に応力が集中しクラックを発
生させ、モジュールの絶縁耐圧低下につながる。本発明
の一例では、この対策として図１１に示すように、浮き
パターン部周辺を絶縁コート材例えばシリコーン樹脂Ｔ
ＳＥー３２２１で覆う構造とした。この構造により、ゲ
ル状樹脂への応力集中が緩和されクラック発生をもたら
さず、絶縁耐圧低下のない構造となった。

【００２４】図１２に、本発明の一例である浮きパター
ン部直下の空間部に、端子接合時の半田ペーストフラッ
クスが浸入しない半田接合構造を得るため製造方法の工
程を示した。

【００２５】これまでも述べたように、予備半田搭載，
Ｈ₂雰囲気中で半田接合，ベースと絶縁基板との半田接
合，半田ペースト必要最小量の滴下供給，端子を絶縁基
板上に接合，洗浄・乾燥，浮き部樹脂コート等、本発明
の製造プロセスを経ることによって、目標達成できる。

【００２６】図１３は、半田ペーストを使わないで端子
の半田接合ができるすなわち樹脂封止型高耐圧半導体装
置を製造できる装置の断面構成図である。

【００２７】該絶縁基板の浮きパターン部に予備半田を
し、さらに金属ベース基板１に端子接合半田９Ｃにより
接着した絶縁基板に、予め迎え半田をした端子７を固定
した端子ブロック８を位置決め搭載し、下部方向より端
子接合部を温度２４０℃に加熱ができるコンベア式加熱
ヒータ１５上に載せ、上部より水冷方式などの輻射冷却
機構で端子ブロック８を、半田接合時に加熱させないよ
うな構造を具備したトンネル式半田接合炉１７を通路す
ることにより目的が達成できるものである。この場合の
炉内雰囲気は、Ｈ₂あるいはＨ₂＋Ｎ₂混合ガスが望ま
しい。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、外部樹脂と内部リード
間の膨張係数差による応力の緩和が可能な浮きパターン
を形成した絶縁基板と導電リード端子の半田接合構造
で、浮きパターン直下部空間にフラックス残渣がなくま
た、樹脂コート構造とすることで応力集中によるクラッ
ク発生がなく従って絶縁耐圧低下につながるような問題
の発生がない高信頼性の樹脂封止型高耐圧半導体装置が
得られるものである。また、本発明の樹脂封止型高耐圧
半導体装置の製造方法も簡便で安価な装置を製造するこ
とができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の樹脂封止型高耐圧半導体装
置の断面構造図である。

【図２】図１の内部導電リード端子の半田接合部の平面
図である。

【図３】本発明と比較する従来の半田接合方法図であ
る。

【図４】本発明と比較する従来方式による導電リード端
子の半田接合直後の断面構造図である。

【図５】従来の洗浄後の状態を示す断面図である。

【図６】従来の樹脂硬化後の状態を示す断面図である。

【図７】予備半田完了状態を示す断面図である。

【図８】半田ペーストを滴下しリード端子を接合する断
面状態図である。

【図９】端子接合完了の状態を示す断面図である。

【図１０】該絶縁基板上に部分的に形成した浮きパター
ン部の変形を示す断面構造図である。

【図１１】浮きパターン部周辺を絶縁コート材で覆った
構造図である。

【図１２】本発明の一例である浮きパターン部直下の空
間部に、端子接合時の半田ペーストフラックスが浸入し
ない半田接合構造を得るため製造方法の工程図である。

【図１３】半田ペーストを使わないで端子の半田接合が
できるすなわち樹脂封止型高耐圧半導体装置を製造でき
る装置の断面構成図である。

【符号の説明】

１…金属ベース基板、２Ａ…ＡｌＮ絶縁基板、２Ｂ…Ｔ
ｉＮ膜、３…Ｃｕパターン、４Ａ…浮きパターン部、４
Ｂ…浮きパターン部変形矢図、５…浮きパターン部直下
の空間、６…ベース接合半田、７…内部導電リード端
子、８…端子ブロック、９Ａ…端子迎え半田、９Ｂ…半
田ペースト、９Ｃ…端子接合半田、９Ｄ…角形半田形状
となる部分、１０Ａ…フラックス、１０Ｂ…フラックス
洗浄痕、１１…外部ケース、１２Ａ…ゲル状樹脂、１２
Ｂ…樹脂欠陥部、１３…予備半田、１４…絶縁コート
剤、１５…コンベア式加熱ヒータ、１６…接合炉外壁
体、１７…トンネル式半田接合炉。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中明茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者斉藤隆一茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者鈴木和弘茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小池義彦茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者山田一二茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の内部導電リード端子を有し、該リ
ード端子を、部分的に浮かし構造とした絶縁基板上の導
電パターン部に接合した樹脂封止型高耐圧半導体装置に
おいて、該絶縁基板上の浮かし導電パターン直下に、端
子接合に用いたはんだペーストのフラックス残渣がない
半田接合構造を特徴とする樹脂封止型高耐圧半導体装
置。
【請求項２】複数本の内部導電リード端子を、部分的に
浮かした絶縁基板上の導電パターンへ接合した構造で、
該絶縁基板上の浮かし導電パターン部を、予め、半田接
合時に浸入した半田ペーストのフラックスが、洗浄で除
去できる間隙を有する構造としたことを特徴とする樹脂
封止型高耐圧半導体装置。
【請求項３】複数本の内部導電リードを、部分的に浮か
した絶縁基板上の導電パターンへ接合した構造で、該パ
ターン周辺部を絶縁樹脂剤で覆う構造としたことを特徴
とする樹脂封止型高耐圧半導体装置。
【請求項４】複数の前記内部導電リード端子材は、Ｃ
ｕ，ＡｇあるいはＣｕ合金，Ａｇ合金のいずれからかな
り、全面あるいは部分的にＡｕ，Ｓｎ，Ｎｉのいずれか
の金属めっきが施されていることを特徴とする請求項第
１，２，３記載の樹脂封止型高耐圧半導体装置。
【請求項５】前記の接合半田材が、Ｐｂ，Ｓｎの２元系
あるいはＡｇ，Ｂｉ，Ａｕ，Ｉｎ等が添加された３元系
からなることを特徴とする請求項第１，２，３，４記載
の樹脂封止型高耐圧半導体装置。
【請求項６】部分的に浮かし構造とした絶縁基板上の導
電パターン部を有する樹脂封止型高耐圧半導体装置の製
造方法において、該絶縁基板の導電パターン部に予め樹
脂ブロックでモールドされた内部導電リードを、活性あ
るいは活性混合ガス中で半田接合する構造としたことを
特徴とする樹脂封止型高耐圧半導体装置の製造方法。
【請求項７】樹脂封止型高耐圧半導体装置の端子の樹脂
モールド部を高温加熱しないでＨ₂またはＨ₂＋Ｎ₂の
ガス雰囲気中で、該絶縁基板の浮きパターン部へ接合で
きることを特徴とする樹脂封止型高耐圧半導体装置の製
造装置。